Model pomorskog VHF komunikacijskog sustava za prijenos
167
Model pomorskog VHF komunikacijskog sustava za prijenos podataka temeljen na OFDM modulaciji Valčić, Sanjin Doctoral thesis / Disertacija 2016 Degree Grantor / Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj: University of Rijeka, Faculty of Maritime Studies, Rijeka / Sveučilište u Rijeci, Pomorski fakultet u Rijeci Permanent link / Trajna poveznica: https://urn.nsk.hr/urn:nbn:hr:187:764984 Rights / Prava: In copyright Download date / Datum preuzimanja: 2021-11-25 Repository / Repozitorij: Repository of the University of Rijeka, Faculty of Maritime Studies - FMSRI Repository
Model pomorskog VHF komunikacijskog sustava za prijenos
Doktorska_disertacija_Sanjin_ValiModel pomorskog VHF
komunikacijskog sustava za prijenos podataka temeljen na OFDM
modulaciji
Vali, Sanjin
2016
Degree Grantor / Ustanova koja je dodijelila akademski / struni
stupanj: University of Rijeka, Faculty of Maritime Studies, Rijeka
/ Sveuilište u Rijeci, Pomorski fakultet u Rijeci
Permanent link / Trajna poveznica:
https://urn.nsk.hr/urn:nbn:hr:187:764984
Rights / Prava: In copyright
Repository / Repozitorij:
Repository of the University of Rijeka, Faculty of Maritime Studies
- FMSRI Repository
DOKTORSKA DISERTACIJA
Rijeka, 2016.
DOKTORSKA DISERTACIJA
Rijeka, 2016.
Sanjin Vali
EXCHANGE BASED ON OFDM MODULATION
DOCTORAL THESIS
Rijeka, 2016.
Doktorska disertacija obranjena je 20. svibnja 2016. godine na
Pomorskom fakultetu
Sveuilišta u Rijeci, pred povjerenstvom:
1. dr. sc. Vinko Tomas, redoviti profesor Pomorskog
fakulteta u Rijeci, predsjednik
Rijeci, mentor i lan
Pomorskog fakulteta u Rijeci, lan
4. dr. sc. Pavao Komadina, redoviti profesor
Pomorskog fakulteta u Rijeci, lan
5. dr. sc. Josip Kasum, redoviti profesor Sveuilišnog
odjela za forenzine znanosti u Splitu, lan
v
SAETAK
Razmjena podataka izmeu brodova i kopnenih objekata od iznimne je
vanosti za
potrebe sigurnosti navigacije, kao i za potrebe komercijalnih
usluga. Iz tog razloga, u
ovome radu su detaljno analizirani postojei pomorski komunikacijski
sustavi za
prijenos podataka, u svrhu odreivanja smjernica za njihovu
nadogradnju, odnosno
zamjenu novim komunikacijskim sustavima. Kako u pomorskim VHF
komunikacijama
nema razvijenog sustava za potrebe prijenosa velikih koliina
podataka, nuno je
primjenom novih tehnologija razviti nove sustave, koji bi
modernizirali GMDSS
sustav, znaajno rasteretili komunikacijske kanale AIS sustava, te
postavili smjernice
za razvoj komunikacijske infrastrukture strategije IMO-a pod
nazivom E-navigacija.
Jednu od novih tehnologija predstavlja i digitalna OFDM modulacija,
pomou koje je
mogue, korištenjem više valova nosilaca, postii velike brzine
prijenosa podataka te
visoku spektralnu uinkovitost. U ovome radu sustavno je analizirana
navedena
tehnologija te su odreene prednosti i nedostaci komunikacijskih
sustava s OFDM
modulacijom u odnosu na sustave s jednim valom nosiocem. Nadalje,
izraeni su
analitiki i simulacijski modeli pomorskog VHF OFDM komunikacijskog
sustava za
prijenos podataka unutar pomorskih VHF komunikacijskih kanala.
Navedeni
komunikacijski kanali, odnosno pojave i fenomeni koji ih
karakteriziraju modelirane
su Rayleighevom i Riceovom razdiobom vjerojatnosti uz pojavu
aditivnog bijelog
Gaussovog šuma. Postignuta brzina prijenosa podataka, spektralna
uinkovitost
sustava te vjerojatnost ili uestalost pojave pogrešnih bitova
predstavljaju kriterije na
temelju kojih su vrednovani rezultati analitikog i simulacijskog
modela.
Rezultati istraivanja pokazali su da se primjenom digitalne OFDM
modulacije u
pomorskim VHF komunikacijskim sustavima moe unaprijediti dosadašnji
GMDSS
sustav, postizanjem veih brzina prijenosa, a samim time i
prenošenjem vee koliine
podataka.
pomorske VHF komunikacije, OFDM modulacija, višestazni feding,
AWGN, SNR, BER.
vi
SUMMARY
Data exchange between ships and land facilities is of great
importance for the safety
of navigation and for commercial services. For this reason, a
detailed analysis of
existing maritime communications systems for data transmission is
conducted within
this paper in order to determine the guidelines for their upgrade
or replacement by
new communication systems. Since there is no system in maritime
VHF
communications for transmitting large amounts of data, it is
necessary to employ new
technologies and to develop new systems that would modernize the
GMDSS system,
significantly relieve the AIS communication channels, and set
guidelines for
development of the communication infrastructure of the IMO strategy
called e-
Navigation.
The digital OFDM modulation is a new technology, by which it is
possible, using
multiple carrier waves, to achieve high data transmission rates and
spectral
efficiency. This technology is systematically analyzed, and the
advantages and
disadvantages of communication systems using OFDM modulation in
comparison to
single carrier systems are determined in this paper. Furthermore,
analytical and
simulation models of the maritime VHF OFDM communication system for
data
transmission within the maritime VHF communication channels are
developed. These
communication channels, i.e. appearances and phenomena within, are
modeled by
Rayleigh and Rice probability distributions with the the additive
white Gaussian
noise. The achieved data rate, the spectral efficiency of the
system, and the bit error
probability or rate represent the criteria on which the results of
the analytical and
simulation models are evaluated.
The research results showed that the application of the digital
OFDM modulation in
maritime VHF communications systems can improve current
communications within
the GMDSS system, achieving higher data transmission rates, and
thus enabling
transmission of large amounts of data.
Key words:
BER.
vii
ZAHVALA
Ovaj dio posveen je svima koji su na bilo koji nain doprinijeli
stvaranju moje
doktorske disertacije.
Za poetak, zahvaljujem svome mentoru doc. dr. sc. Zoranu Mraku na
znanstvenom i
strunom voenju, prenesenom znanju i iskustvu, stvaranju poticajne
radne sredine
te svakodnevnom savjetovanju i pomoi od prvog dana mog
zapošljavanja na
Pomorskom fakultetu u Rijeci do kraja izrade ove doktorske
disertacije.
Na isti nain zahvaljujem i prof. dr. sc. habil. Tiboru Poganju,
kojega smatram svojim
drugim mentorom, na svakodnevnom poticaju, savjetovanju i pomoi,
posebice
prilikom matematikih izrauna i zapisa koje sam koristio u
doktorskoj disertaciji.
Posebnu zahvalu upuujem i prof. dr. sc. Vinku Tomasu, voditelju
projekta
„Informacijsko-komunikacijske tehnologije u inteligentnim pomorskim
sustavima“ u
okviru kojeg sam provodio znanstvena istraivanja, a koja su
rezultirala izradom
doktorske disertacije.
Takoer, zahvaljujem i svojim kolegama i prijateljima sa Zavoda za
elektrotehniku,
automatiku i informatiku dr. sc. Marku Valiu, dr. sc. Jasminu eliu
i dr. sc.
Aleksandru Cuculiu, na nesebinoj pomoi, prenesenom znanju i
iskustvima koja su
uvelike olakšala izradu doktorske disertacije.
Naposljetku, veliko hvala upuujem svojoj obitelji i prijateljima,
na razumijevanju i
svesrdnoj potpori u „kriznim“ razdobljima tijekom pisanja ove
doktorske disertacije.
viii
SADRAJ
1.3. Svrha i ciljevi istraivanja
..........................................................................................................
6
1.4. Pregled dosadašnjih istraivanja
............................................................................................
7
1.5. Znanstvene metode
...................................................................................................................
10
1.6. Struktura rada
.............................................................................................................................
11
PODATAKA
................................................................................................................................................
14
2.1.2. Vrste modulacija i brzine prijenosa podataka sustava za
digitalno-
selektivno pozivanje
.....................................................................................................................
16
2.2.1. Tehnike karakteristike pomorskog radioteleks
sustava.................................. 18
2.2.2. Opis ARQ naina rada radioteleks sustava
..............................................................
19
2.2.3. Opis FEC naina rada radioteleks sustava
...............................................................
19
2.2.4. Meunarodni NAVTEX sustav
......................................................................................
20
2.3. Automatski identifikacijski sustav
......................................................................................
23
2.3.1. Vrste podataka automatskog identifikacijskog sustava
..................................... 23
2.3.2. Tehnike karakteristike i nain rada AIS sustava
................................................. 24
ix
2.4.1. Dijelovi satelitskog INMARSAT
sustava....................................................................
27
2.5.1. Pomorski VHF sustav za razmjenu podataka
......................................................... 32
2.5.2. Preporuka Meunarodne telekomunikacijske unije ITU-R M.1842-1
.......... 34
3. UVOD U OFDM MODULACIJU
........................................................................................................
36
3.1. Princip moduliranja signala primjenom OFDM modulacije
...................................... 38
3.1.1. Uvoenje ciklike ekstenzije u OFDM signal
...........................................................
41
3.1.2. Spektar gustoe snage i spektralna uinkovitost OFDM
modulacije ............. 43
3.1.3. Prijenos OFDM signala komunikacijskim radiokanalima
.................................. 44
3.2. Usporedba sustava s OFDM modulacijom i sustava s jednim
valom
nosiocem................................................................................................................................................
47
3.2.2. Prednosti OFDM modulacije
.........................................................................................
50
3.2.3. Nedostaci OFDM modulacije
.........................................................................................
51
3.3. Postojei radiokomunikacijski sustavi koji koriste OFDM
modulaciju................. 52
3.3.1. Sustav za emitiranje digitalnih audiostanica
.......................................................... 52
3.3.2. Sustav za emitiranje digitalnih televizijskih stanica
............................................ 54
3.3.3. Sustavi za beinu komunikaciju u lokalnim mreama
...................................... 56
4. ANALITIKI MODEL POMORSKOG VHF KOMUNIKACIJSKOG SUSTAVA ZA
PRIJENOS PODATAKA S OFDM MODULACIJOM
.........................................................................
58
4.1. Model pomorskog VHF OFDM predajnika
.......................................................................
59
4.1.1. Digitalno moduliranje simbola M-PSK i M-QAM modulacijama
...................... 61
4.1.2. Parametri VHF predajnika OFDM signala
................................................................
63
4.1.3. Odnos izmeu vršne i prosjene vrijednosti snage OFDM
signala................. 66
4.2. Model pomorskog VHF OFDM prijamnika
.......................................................................
67
4.2.1. Estimacija odziva kanala korištenjem pilotnih simbola
..................................... 69
x
4.2.4. Wienerova estimacija u OFDM sustavima
...............................................................
73
4.3. Model pomorskog VHF komunikacijskog kanala
.......................................................... 77
4.3.1. Pokazatelji performansi sustava pod utjecajem
karakteristika
komunikacijskih kanala
..............................................................................................................
79
5. SIMULACIJSKI MODEL POMORSKOG VHF KOMUNIKACIJSKOG SUSTAVA
ZA
PRIJENOS PODATAKA S OFDM MODULACIJOM
.........................................................................
86
5.1. Simulacijski model pomorskog VHF OFDM predajnika
.............................................. 87
5.1.1. Izvor informacije
...............................................................................................................
88
5.2.3. Odredište za prikaz prenesenih podataka
...............................................................
94
5.3. Simulacijski model pomorskog VHF komunikacijskog kanala
................................. 94
5.3.1. Simulacijski model pomorskog VHF komunikacijskog kanala
sa
znaajkom Rayleighevog fedinga
............................................................................................
95
znaajkom Riceovog fedinga
.....................................................................................................
96
KOMUNIKACIJSKOG SUSTAVA
..........................................................................................................
99
6.1. Analiza rezultata simulacijskog modela predloenog VHF OFDM
sustava u
komunikacijskom kanalu sa znaajkom Rayleighevog fedinga uz AWGN
.................101
6.2. Analiza rezultata simulacijskog modela predloenog VHF OFDM
sustava u
komunikacijskom kanalu sa znaajkom Riceovog fedinga uz AWGN
..........................105
xi
sustava
..................................................................................................................................................147
A.9. Simulink model odredišta za prikaz prenesenih podataka
.....................................149
A.10. Simulink model pomorskog VHF komunikacijskog kanala sa
znaajkom
Rayleighevog fedinga uz AWGN
.................................................................................................150
Riceovog fedinga uz AWGN
..........................................................................................................151
A.12. Simulink model sklopa za otklanjanje faze izlaznog signala
iz
komunikacijskog kanala sa znaajkom Rayleighevog i Riceovog fedinga
.................152
IVOTOPIS
...............................................................................................................................................153
1
radiokomunikacijskih sustava, koji pruaju razliite komunikacijske
usluge. Meutim,
za potrebe uzbunjivanja i sigurnosti, koristi se Svjetski pomorski
sustav za pogibelj i
sigurnost (engl. Global Maritime Distress and Safety System –
GMDSS), iji su
podsustavi potpuno uvedeni na brodove 1. veljae 1999. godine. Prema
ovom
sustavu, prioriteti pomorskih komunikacija mogu se podijeliti na:
komunikacije
pogibelji, komunikacije hitnosti, komunikacije sigurnosti te ostale
ili rutinske
komunikacije.
sustavi pomorskih komunikacija mogu se podijeliti na terestrike i
satelitske sustave.
Pod terestrike komunikacije spadaju:
pomorskom MF (engl. Medium Frequency) frekvencijskom podruju (1.605
–
4 MHz), ime je mogue postii domet do priblino 200 NM
• komunikacije korištenjem ionosferskih elektromagnetskih valova
na
pomorskom HF (engl. High Frequency) frekvencijskom podruju (4 –
27.5
MHz), ime je mogue postii domet vei od 200 NM, što ovisi o više
imbenika
te
pomorskom VHF (engl. Very High Frequency) frekvencijskom podruju
(156 –
174 MHz), ime je mogue postii domet do priblino 50 NM.
Od navedenog datuma uvoenja GMDSS-a, sustavi i naini upotrebe
pomorskih
terestrikih komunikacija nisu se znaajnije mijenjali, a ukljuuju
korištenje sljedeih
ureaja:
podrujima
• digitalnih radioteleks ureaja na MF i HF frekvencijskim podrujima
te
2
• digitalnih ureaja za selektivno pozivanje (engl. Digital
Selective Calling – DSC)
na sva tri navedena frekvencijska podruja.
Satelitski komunikacijski ureaji, koji se prema GMDSS-u mogu
koristiti za potrebe
pomorskih komunikacija su: privatni sustav INMARSAT (engl.
International
Maritime/Mobile Satellite Organization) i meunarodni sustav
COSPAS-SARSAT
(engl./rus. Cosmicheskaya Sistyema Poiska Avariynich Sudov – Search
and Rescue
Satellite-Aided Tracking) koji se koristi iskljuivo za potrebe
traganja i spašavanja.
Navedeni satelitski sustavi koriste elektromagnetske valove UHF
(engl. Ultra High
Frequency) i SHF (engl. Super High Frequency) frekvencijskog
podruja, pomou
kojih je mogue uspostaviti pouzdane komunikacije izmeu zemaljskih
stanica i
satelita. Satelitski sustav INMARSAT podrava više oblika i naina
komunikacija kao
što su digitalne govorne komunikacije, razmjena velikih koliina
podataka, kao i
povezivanje internetskim protokolom. Navedene mogunosti, kao i
jednostavnost
rukovanja ureajima su glavni razlozi da se na brodovima znaajno
više koriste
ureaji sustava INMARSAT u odnosu na terestrike komunikacijske
ureaje, što
dovodi do neiskorištenosti velikog dijela frekvencijskog spektra.
Meutim, uz široki
raspon mogunosti dolazi i visoka cijena usluga, uz znaajku da
sateliti sustava
INMARSAT ne pokrivaju podruja Zemljinih polova (dijelovi iznad 70°
sjeverne i
june geografske širine). Stoga, potrebno je pronai i razviti
ekonomski prihvatljivija
rješenja u terestrikim pomorskim komunikacijama, koja bi mogla
predstavljati
zamjenu, odnosno alternativu satelitskim sustavima.
Od navedenih terestrikih komunikacijskih sustava, VHF sustavi
predstavljaju
naješi oblik komunikacije, koji se koristi za komunikacije izmeu
brodova na malim
udaljenostima, kao i u priobalnim i lukim podrujima za komunikaciju
s kopnenim
centrima. Meutim, kako je na pomorskom VHF frekvencijskom podruju
DSC jedini
digitalni sustav, ija je svrha uzbunjivanje i najavljivanje
daljnjih komunikacija prema
navedenim prioritetima GMDSS-a, koje se mogu odvijati iskljuivo na
analognom
radiotelefonskom ureaju, potrebno je razviti i primijeniti nove
digitalne sustave za
razmjenu podataka. Jedan od takvih digitalnih sustava, koji se ve
primjenjuje na
brodovima, ali se ne smatra komunikacijskim, ve navigacijskim
sustavom, je i
automatski identifikacijski sustav (engl. Automatic Identification
System – AIS).
Naime, AIS je navigacijski sustav namijenjen za identifikaciju i
praenje brodova, što
3
je omogueno razmjenom podataka izmeu brodova i baznih stanica,
terestrikim ili
satelitskim putem. AIS sustav koristi dva kanala (AIS 1 i AIS 2) iz
pomorskog VHF
frekvencijskog podruja. Zbog svoje tehnologije i efikasnosti, AIS
je postao obavezan i
za plovila koja nisu definirana SOLAS (engl. Safety of Life at Sea)
konvencijom te se,
osim za slanje podataka vezanih uz identifikaciju broda i njegovog
tereta, koristi i za
slanje poruka kao što su „Pomagala za navigaciju (engl. Aids to
Navigation – AtoN)“,
„Poruke posebnih primjena (engl. Application Specific Messages –
ASM)“, „AIS
predajnik za traganje i spašavanje (engl. Search and Rescue
Transmitter AIS – SART-
AIS)“, „Jedinica za oznaavanje osobe u moru (engl. Man Overboard
Unit – MOB)“, te
„AIS predajnik za uzbunjivanje i oznaavanje pozicije (engl.
Emergency Position-
Indicating Radio Beacon AIS – EPIRB-AIS)“.
Zbog navedenih znaajki korištenja AIS sustava u nekim plovnim
podrujima svijeta
došlo je do zagušenja AIS kanala i degradacije efikasnosti sustava,
što je rezultiralo
traenjem i razvijanjem novih rješenja razmjene podataka na
pomorskom VHF
podruju. U prilog tome, Meunarodna telekomunikacijska unija (engl.
International
Telecommunication Union – ITU) je u svojoj preporuci Recommendation
ITU-R
M.1842-1 iz 2009. godine, predloila etiri mogua sustava za razmjenu
podataka, koji
bi se mogli koristiti na pomorskom VHF frekvencijskom podruju.
Nadalje, na
Svjetskoj radiokomunikacijskoj konferenciji (engl. World
Radiocommunication
Conference – WRC), odranoj u enevi 2012. godine, donesena je odluka
da se iz
postojeih analognih kanala pomorskog VHF frekvencijskog podruja za
potrebe
digitalnih komunikacija dodijeli šest kanala, te za potrebe AIS
sustava dodatna dva
kanala. Upravo e korištenje dodatnih kanala i digitalnih VHF
sustava za razmjenu
podataka omoguiti rastereenje AIS sustava, a uz to modernizirati
GMDSS sustav, te
postaviti temelje za budui razvoj i implementaciju strategije
Meunarodne
pomorske organizacije (engl. International Maritime Organization –
IMO) i
Meunarodne udruge svjetioniarskih slubi (engl. International
Association of
Lighthouse Authorities – IALA) pod nazivom e-Navigacija (engl.
e-Navigation). Prema
definiciji IMO-a, e-Navigacija je usklaeno prikupljanje,
integriranje, razmjena, prikaz
i analiza pomorskih informacija na brodovima i kopnu, korištenjem
elektronikih
sustava, s ciljem poboljšanja sigurnosti navigacije i ostalih
usluga vezanih uz
sigurnost na moru, kao i zaštite morskog okoliša.
4
Orthogonal Frequency Division Multiplexing) modulacija. Navedena
modulacijska
tehnika koristi više paralelnih i zasebno moduliranih valova
nosilaca unutar
odreenog komunikacijskog kanala, za razliku od konvencionalnih
komunikacijskih
sustava s jednim moduliranim valom nosiocem. Sustavi koji koriste
OFDM modulaciju
robusniji su na višestazno propagiranje radiovalova u
komunikacijskim kanalima u
odnosu na sustave s jednim valom nosiocem. Koncept OFDM-a poznat je
još od 70-ih
godina prošlog stoljea, ali ga je bilo nemogue praktino
implementirati sve do
pojave DSP-a (engl. Digital Signal Processing), jer se navedeni
koncept temelji na
brzoj Fourierovoj transformaciji (eng. Fast Fourier Transform –
FFT), koja sadri
veliki broj iteracija tijekom izrauna. Ortogonalnost, odnosno
paralelnost valova
nosioca podrazumijeva da je pomak frekvencije, f , ovisan o vremenu
trajanja
simbola sT , što je opisano u sljedeoj relaciji: 1
s
= .
Prethodno je navedeno da se za potrebe digitalnih komunikacija na
pomorskom VHF
frekvencijskom podruju moe koristiti ukupno šest kanala, te se kao
jedna od novih
tehnologija moe implementirati i sustav s OFDM modulacijom. Takav
sustav je
spektralno uinkovit, s obzirom da koristi više valova nosioca
unutar jednog
komunikacijskog kanala, te moe postii relativno velike brzine
prijenosa podataka, a
samim time i prenijeti veu koliinu informacija. Nadalje,
implementacijom takvog
sustava na pomorskom VHF frekvencijskom podruju modernizirao bi se
GMDSS i
rasteretio AIS sustav, a ujedno bi se moglo prenositi razliite
vrste podataka
predviene strategijom e-Navigacije.
Razmjena, odnosno prijenos podataka izmeu brodova i kopnenih
objekata od
iznimne je vanosti za potrebe sigurnosti navigacije, kao i za
potrebe komercijalnih
usluga. Kako u pomorskim terestrikim VHF komunikacijama nema
razvijenog
digitalnog sustava za potrebe prijenosa podataka, u tu svrhu
potrebno je primjenom
novih tehnologija razviti nove sustave, koji bi modernizirali GMDSS
sustav, znaajno
rasteretili AIS sustav, te postavili smjernice razvoja strategije
e-Navigacije. Jedna od
takvih tehnologija je i digitalna OFDM modulacija, pomou koje je
mogue,
5
relativno velike koliine podataka.
Iako u kopnenim terestrikim komunikacijama postoji veliki broj
digitalnih sustava za
prijenos podataka, pomou kojih je mogue postii velike brzine
prijenosa, a samim
time i prenijeti vee koliine informacija, u pomorskim terestrikim
komunikacijama
ne postoje propisani i standardizirani sustavi iste namjene, te je
mogue provoditi
istraivanja primjene razliitih kopnenih tehnologija u pomorstvu. Od
posebnog je
znaaja pomorsko VHF frekvencijsko podruje, gdje se odvija najguši
komunikacijski
promet, kako korištenjem analogne telefonije, tako i razmjenom
podataka putem AIS
sustava. Jedna od tehnika koja bi se mogla koristiti za prijenos
podataka je i digitalna
OFDM modulacija.
Prema tome, problem istraivanja ovoga rada je znanstveno istraiti i
analizirati
uvoenje digitalne OFDM modulacijske tehnike u pomorsko VHF
frekvencijsko
podruje za prijenos relevantnih podataka, ime e se unaprijediti
GMDSS sustav, uz
mogunost rastereenja AIS sustava.
Sukladno problemu istraivanja definiran je i predmet istraivanja
ove doktorske
disertacije, koji je predstavljen sistematizacijom i analizom OFDM
modulacije iz
aspekta njezine implementacije na pomorskom VHF frekvencijskom
podruju.
Navedeni predmet istraivanja proširen je analizom utjecaja
razliitih propagacijskih
uvjeta u pomorskom VHF komunikacijskom kanalu na predloeni sustav s
OFDM
modulacijom.
Prethodno definirani problem i predmet znanstvenog istraivanja
odnose se na
nekoliko znaajnih objekata istraivanja, i to na: modele VHF OFDM
predajnika i
prijamnika te pomorskih VHF komunikacijskih kanala.
1.2. Znanstvena hipoteza i pomone hipoteze
Sukladno navedenom problemu, predmetu i objektima znanstvenog
istraivanja
postavljena je i temeljna znanstvena hipoteza, koja glasi
6
sustav, postizanjem veih brzina prijenosa i koliine
podataka.“
Navedena temeljna znanstvena hipoteza izravno se odnosi na predmet
znanstvenog
istraivanja i generira nekoliko pomonih hipoteza:
1. pomona znanstvena hipoteza: Primjenom digitalne OFDM modulacije
na
pomorskom VHF frekvencijskom podruju za prijenos dodatnih podataka
AIS
sustava mogue je rasteretiti komunikacijske kanale AIS
sustava.
2. pomona znanstvena hipoteza: Primjenom digitalne OFDM modulacije
u
komunikacijskim sustavima na pomorskom VHF frekvencijskom
podruju
mogue je postaviti smjernice za budui razvoj komunikacijske
infrastrukture
strategije e-Navigacija.
satelitskim komunikacijskim sustavima za prijenos podataka.
4. pomona znanstvena hipoteza: Pomorski VHF komunikacijski sustavi
s
primijenjenom OFDM modulacijom mogli bi se koristiti kao
zamjena
satelitskim komunikacijskim sustavima za prijenos podataka u
podrujima bez
pokrivenosti satelitima.
Svrha znanstvenog istraivanja, odnosno ove doktorske disertacije,
je sustavna
analiza pomorskog VHF komunikacijskog sustava za prijenos podataka,
koji koristi
digitalnu OFDM modulaciju, uz izradu simulacijskih modela fizikog
sloja
odgovarajueg komunikacijskog sustava. Navedeni simulacijski modeli,
koji su osim
za potrebe ovog rada korisni i za budua znanstvena istraivanja,
mogu se
primjenjivati i na ostala pomorska terestrika frekvencijska
podruja, uz potrebne
modifikacije komunikacijskih kanala.
Nadalje, sukladno problemu, predmetu i objektima znanstvenog
istraivanja, kao i
postavljenim hipotezama, odreen je i glavni cilj znanstvenog
istraivanja, odnosno
ove doktorske disertacije:
7
Izrada i analiza analitikog i simulacijskog modela fizikog sloja
pomorskog VHF
komunikacijskog sustava za prijenos podataka primjenom digitalne
OFDM
modulacijske tehnike, koji moe unaprijediti GMDSS sustav
postizanjem veih brzina
prijenosa i koliine podataka, rasteretiti AIS sustav prijenosom
dodatnih podataka
navedenog sustava, te posluiti za daljnji razvoj komunikacijskog
plana strategije e-
Navigacije.
Uz navedeni glavni cilj znanstvenog istraivanja, definirani su i
sljedei dodatni ciljevi
ove doktorske disertacije:
sustava za prijenos podataka
podataka predloenih od strane ITU-a
• odreivanje znaajnih kriterija za vrednovanje razvijenog modela
fizikog
sloja pomorskog VHF komunikacijskog sustava za prijenos
podataka
primjenom digitalne OFDM modulacijske tehnike
• izrada i analiza simulacijskog modela prijenosa podataka izmeu
OFDM
predajnika i prijamnika unutar VHF komunikacijskog kanala
• analiza rezultata simulacijskog modela prijenosa podataka izmeu
OFDM
predajnika i prijamnika unutar VHF komunikacijskog kanala,
odnosno
strukturiranje rješenja problema znanstvenog istraivanja.
1.4. Pregled dosadašnjih istraivanja
U kopnenim komunikacijama postoji veliki broj digitalnih
tehnologija koje se sve više
i bre razvijaju s poveanjem broja i zahtjeva korisnika. Upravo ove
tehnologije
predstavljaju predmet istraivanja meunarodnih organizacija IMO, ITU
i IALA s
ciljem njihove primjene i u pomorskim komunikacijama. Prema
rezolucijama
donesenim na WRC-12, kao i prema radu autora Korcza, razvoj i
primjena novih
digitalnih tehnologija u pomorskim komunikacijama predstavljat e
najznaajniji dio
razvoja strategije e-Navigacije, unaprijeenja GMDSS i rastereenja
AIS sustava
[48][64][65].
8
Takoer, postoje i neka nacionalna istraivanja, pa je tako autor
Bekkadal u [7]
predstavio problematiku primjene novih tehnologija u pomorskim
komunikacijama,
te opisao istraivanja i strategije norveškog MarCom projekta s
ciljem unaprjeenja
pomorskih komunikacija iz aspekta poveanja njihove pokrivenosti,
kao i poveanja
kapaciteta.
Za izradu ove doktorske disertacije znaajnu ulogu ima preporuka
ITU-R M.1842-1, u
kojoj su opisane karakteristike sustava i opreme za prijenos
podataka i elektronike
pošte na pomorskom VHF frekvencijskom podruju, a koje ujedno
predstavlja i
frekvencijsko podruje na koje e se primijeniti OFDM modulacija
[33]. Takoer,
postavljene su smjernice i izneseni prijedlozi korištenja razliitih
digitalnih
tehnologija koji su temeljeni na postojeim kopnenim terestrikim
sustavima. Prema
navedenoj preporuci autori Hui i drugi razvili su i testirali
simulacijski model jednog
od predloenih sustava na pomorskom VHF frekvencijskom podruju, dok
su autori
Seung-Geun Kim i drugi razvili i implementirali predajnik istog
sustava uz postizanje
veih brzina prijenosa u odnosu na postojei VHF DSC i AIS sustav
[23][44]. Nadalje,
autori Mrak, te Raulefs i Plass, istraivali su mogunosti korištenja
postojeih
kopnenih digitalnih tehnologija za govorne komunikacije na
pomorskom VHF
frekvencijskom podruju [63][55].
Zbog razliitih utjecaja, prepreka i smetnji unutar komunikacijskog
kanala dolazi do
višestaznog propagiranja radiovalova i tzv. fedinga, što utjee na
kvalitetu primljenog
signala. Upravo iz razloga rješavanja navedenog problema, predmet
istraivanja u
ovome radu predstavlja analiza mogunosti implementacije OFDM
modulacije, koja je
robusnija na negativne uinke višestaznog propagiranja i pojave
fedinga.
Kako je ve ranije navedeno, OFDM modulacija je u teoriji poznata ve
nekoliko
desetaka godina, ali je širu praktinu primjenu pronašla tek
razvojem uinkovitih DSP
procesora. Tako je još 1985. godine autor Cimini proveo analizu i
simulaciju sustava s
OFDM modulacijom na modelu beinog komunikacijskog kanala sa
znaajkom
Rayleighevog fedinga, što predstavlja jedan od naješe korištenih
modela VHF
komunikacijskog kanala [11], dok je implementaciju takvog sustava
razvio i testirao
autor Casas u [8]. Autor Warner je u [86] izradio OFDM sustav kojeg
je testirao na
9
simulatoru kanala s fedingom uz korištenje komercijalnih DSP
procesora i VHF
primopredajnika te analizirao vlastiti sinkronizacijski
algoritam.
Nadalje, autori de Couasnon i drugi su u [15] razmatrali teoretske
mogunosti
primjene OFDM modulacije za emitiranje digitalne televizije na
kopnenim VHF/UHF
kanalima širine 6 MHz te postigli veu uinkovitost u odnosu na do
tada korištenu
kvadraturnu amplitudnu modulaciju ili QAM (engl. Quadrature
Amplitude Modulation
– QAM). Jednaku primjenu OFDM modulacije prouavali su autori Saito
i drugi u [68],
gdje su koristili DQPSK (engl. Differential Quadrature Phase Shift
Keying – DQPSK)
modulaciju za moduliranje svakog pojedinog vala nosioca, te su
analizirali
performanse ovakvog sustava unutar kanala s razliitim negativnim
propagacijskim
uvjetima.
Autor Hoymann je u [22] detaljno opisao fiziki i sloj veze za mreni
standard IEEE
802.16 koji koristi OFDM modulaciju za prijenos podataka. U tom je
radu izraen
simulacijski model navedenih dvaju slojeva, koji je testiran pri
razliitim scenarijima,
ovisno o propagacijskim uvjetima u komunikacijskom kanalu.
Jednu od primjena OFDM modulacije u pomorstvu opisao je i
analizirao autor
Mansukhani na razvijenom simulacijskom modelu pomorskog UHF
frekvencijskog
kanala širine 20 MHz, koji je po propagacijskim karakteristikama
slian pomorskom
VHF kanalu [52]. Predloena i korištena struktura podataka pokazala
je visoku
uinkovitost, a uz odabrane vrijednosti parametara prilikom izrade i
testiranja
simulacijskog modela postignuta je brzina prijenosa podataka od 10
Mbit/s.
Nadalje, autori Shishkin i Koshevy istraivali su mogunost
neprimjetnog ugraivanja
digitalne informacije u audiosignale primjenom OFDM modulacije na
pomorskom
VHF frekvencijskom podruju [74][75]. Rezultati prethodnih
istraivanja pokazali su
da je mogue primijeniti OFDM modulaciju za digitalno oznaavanje
audiosignala
unutar relativno uskog VHF komunikacijskog kanala zbog otpornosti
na
interferenciju izmeu digitalnih simbola, koja je nastala uslijed
višestaznog
propagiranja radiovalova.
U preporuci ITU-R M.1798-1 detaljno je opisan sustav koji koristi
OFDM modulaciju
za razmjenu elektronike pošte na pomorskom HF frekvencijskom kanalu
širine 3
kHz [32]. Navedeni sustav koristi 32 ortogonalna vala nosioca
meusobno udaljena
10
83,33 Hz i zasebno modulirana digitalnom DQPSK modulacijom, te
omoguuje
ukupnu brzinu prijenosa podataka od 4,6 kbit/s, odnosno efektivnu
brzinu prijenosa
podataka od 2,9 kbit/s pri normalnim propagacijskim uvjetima unutar
HF kanala.
1.5. Znanstvene metode
Tijekom izrade ove doktorske disertacije istraile su se tehnike
mogunosti primjene
digitalne OFDM modulacijske tehnike za prijenos podataka na
pomorskom VHF
frekvencijskom podruju u navedenu svrhu znanstvenog istraivanja.
Kako je ranije
navedeno da su pomorski digitalni sustavi za prijenos podataka još
uvijek u procesu
istraivanja i razvoja, bilo je nemogue provesti ispitivanja na
nekom stvarnom
(fizikom) sustavu. Stoga su se razvili odgovarajui simulacijski
modeli za svaki
pojedini podsustav fizikog sloja komunikacijskog sustava na
pomorskom VHF
frekvencijskom podruju, koji mora biti uzet u obzir prilikom
vrednovanja primjene
digitalne OFDM modulacije. S obzirom na mogunosti provoenja
znanstvenog
istraivanja, simulacije su se izvodile u vremenskoj domeni.
Pokazalo se da su
razvijeni simulacijski modeli robusni s obzirom na postavljene
funkcije cilja koje su se
ispitivale (koliina podataka, brzina prijenosa podataka, kvaliteta
prijenosa
podataka). Za razvoj navedenih simulacijskih modela koristio se
Simulink programski
paket, kao i pripadajui skup alata i komponenti iz razliitih
biblioteka, dok je za
razvijanje potrebnog programskog koda korišten MATLAB programski
jezik.
Za potrebe znanstvenog istraivanja, analize i prezentacije
rezultata istraivanja
korištene su kombinacije više istraivakih metoda. Tako je metoda
matematikog
modeliranja sustava korištena pri razvoju potrebnih analitikih i
simulacijskih
modela, a za provjeru postavki i rezultata eksperimentalna metoda i
metoda
simulacije. Za iznošenje opih zakljuaka o znaajkama sustava s
primijenjenom
OFDM modulacijom, kao i za donošenje temeljnih postavki za
vrednovanje
mogunosti primjene OFDM modulacije korištene su induktivna i
deduktivna metoda,
dok je pri opisu samog problema primjene OFDM modulacije korištena
metoda
deskripcije. Nadalje, u okviru sistematizacije i usporedne analize
primijenjena je
metoda klasifikacije te metode formalne i komparativne analize.
Tijekom izrade
pregleda dosadašnjih istraivanja i znanstvenih radova primijenjena
je metoda
11
metode dokazivanja i opovrgavanja.
1.6. Struktura rada
S obzirom na predmet, problem i objekte istraivanja ova doktorska
disertacija
podijeljena je u sedam poglavlja koja ine jednu funkcionalnu
cjelinu.
U prvom poglavlju, UVODU, definiran je problem, predmet i objekti
znanstvenog
istraivanja, postavljena glavna znanstvena i pomone hipoteze, te
opisana svrha i
ciljevi istraivanja. U nastavku poglavlja izloen je pregled
dosadašnjih istraivanja, te
su navedene korištene znanstvene metode i obrazloena sama struktura
ove
doktorske disertacije.
SUSTAVA ZA PRIJENOS PODATAKA detaljno su opisani postojei pomorski
terestriki
i satelitski komunikacijski sustavi koji se koriste za prijenos
podataka: terestriki DSC
sustav, terestriki radioteleks i NAVTEX sustav, terestriki AIS
sustav i satelitski
INMARSAT sustav. Nakon opisa svakog od sustava, izloene su njihove
prednosti i
nedostaci s obzirom na mogunost njihove primjene u sklopu
strategije „E-
navigacija“, kao i na mogunost njihovog poboljšanja ili zamjene. Na
kraju su izloene
preporuke i smjernice meunarodnih organizacija IMO, ITU, IALA koje
se odnose na
pomorsko VHF frekvencijsko podruje iz aspekta strategije
e-Navigacije, rastereenja
AIS sustava i modernizacije GMDSS sustava.
U treem poglavlju naslova UVOD U OFDM MODULACIJU sustavno je
obraena i
opisana digitalna OFDM modulacijska tehnika. U uvodnom dijelu
izloena je povijest
nastanka OFDM modulacije, a zatim je detaljno objašnjen princip
moduliranja i
multipleksiranja signala navedenom tehnikom. Kako OFDM modulacija
pripada
skupini modulacija s više valova nosilaca, koji se zasebno
moduliraju razliitim
modulacijskim tehnikama, u ovom su poglavlju navedene prednosti i
nedostaci OFDM
modulacije u odnosu na klasine naine moduliranja signala s jednim
valom
nosiocem. Na kraju poglavlja navedeni su i opisani kopneni beini
pokretni
komunikacijski sustavi koji koriste OFDM modulaciju za prijenos
podataka.
12
KOMUNIKACIJSKOG SUSTAVA ZA PRIJENOS PODATAKA S OFDM MODULACIJOM.
U
ovom poglavlju opisan je i detaljno razraen analitiki model OFDM
predajnika
signala, koji razliitim digitalnim modulacijama modulira više
zasebnih valova
nosilaca unutar pomorskog VHF frekvencijskog kanala. Nakon
analitikog modela
OFDM predajnika, opisan je i razraen analitiki model OFDM
prijamnika signala, koji
provodi postupak demoduliranja signala i podataka iz više zasebnih
valova nosilaca.
Na kraju poglavlja su takoer opisani i detaljno razraeni analitiki
modeli pomorskih
VHF komunikacijskih kanala.
SUSTAVA ZA PRIJENOS PODATAKA S OFDM MODULACIJOM predstavlja izradu,
razvoj
i opis simulacijskog modela predloenog digitalnog VHF
komunikacijskog sustava. U
tu svrhu definirane su postavke simulacija, kao i pretpostavke i
ogranienja
simulacijskog modela. Takoer, definiran je razliiti niz scenarija
nad kojima se
provelo simulacijsko modeliranje i testiranje simulacijskog modela
predloenog
pomorskog VHF OFDM sustava.
PREDLOENOG VHF OFDM KOMUNIKACIJSKOG SUSTAVA dobiveni
rezultati
simulacijskog modela sustavno su analizirani i evaluirani, odnosno
ocijenjeni na
temelju kriterija za ocjenu uspješnosti samog simulacijskog modela,
koji se odnose na
postignutu brzinu prijenosa podataka, spektralnu uinkovitost
sustava,
zadovoljavajuu vrijednost vjerojatnosti ili uestalosti pojave
pogrešnih bitova (engl.
Bit Error Probability/Rate – BEP/BER) na prijamnoj strani sustava
pri razliitim
vrijednostima odnosa snaga signala i šuma (eng. Signal to Noise
Ratio – SNR).
Takoer, provedena je i komparativna analiza postojeeg AIS sustava i
novog
predloenog VHF komunikacijskog sustava za prijenos podataka s
OFDM
modulacijom na temelju postignute brzine prijenosa podataka te
spektralne
uinkovitosti sustava.
U posljednjem, sedmom poglavlju naslova ZAKLJUAK izneseni su
zakljuci koji
direktno predstavljaju argumente (dokaze) na temelju kojih se
prihvaaju postavljene
hipoteze. U nastavku poglavlja prezentirane su i preporuke za
daljnja istraivanja.
13
Nakon iznesenog sadraja svih sedam poglavlja ove doktorske
disertacije, navedene
su sve korištene reference, kratice, oznake i simboli, slike te
tablice. Takoer, priloen
je izraeni simulacijski model u Simulink programskom paketu, te
ivotopis
doktoranda.
14
ZA PRIJENOS PODATAKA
U pomorskom prometu se za povezivanje, odnosno komunikaciju izmeu
brodova,
kao i za komunikaciju izmeu brodova i kopnenih objekata, centara i,
openito,
korisnika razliitih komunikacijskih usluga, koriste
radiokomunikacijski sustavi. U
pomorskim komunikacijama ovi se radiokomunikacijski sustavi dijele
na terestrike i
satelitske sustave.
MF, HF i VHF frekvencijskih podruja, prema podjeli ITU-a.
Elektromagnetski valovi
navedenih frekvencijskih podruja imaju razliiti nain propagacije,
odnosno širenja
komunikacijskim kanalima. Naime, elektromagnetski se valovi mogu
opisati trima
komponentama propagacije:
• prostorna komponenta (engl. space wave) te
• ionosferska komponenta (engl. sky wave).
Površinska komponenta elektromagnetskih valova je najizraenija na
MF
frekvencijskom podruju, prostorna i to direktna (engl. line of
sight) na VHF
frekvencijskom podruju te ionosferska na HF frekvencijskom
podruju.
Prema Svjetskom pomorskom sustavu za pogibelj i sigurnost ili
GMDSS-u, terestriki
radiokomunikacijski sustavi koji se koriste za komunikacije izmeu
brodova i izmeu
brodova i kopna, su sljedei:
• analogni radiotelefonski komunikacijski sustavi i ureaji na MF,
HF i VHF
frekvencijskim podrujima
• digitalni radioteleks komunikacijski sustavi i ureaji na MF i
HF
frekvencijskim podrujima
• digitalni radiokomunikacijski sustavi i ureaji za selektivno
pozivanje ili DSC
na MF, HF i VHF frekvencijskim podrujima.
Još jedan terestriki digitalni sustav, koji koristi kanale iz
pomorskog VHF
frekvencijskog podruja je i automatski identifikacijski sustav ili
AIS. Meutim, ovaj se
15
ureaj koristi prvenstveno u navigacijske svrhe, odnosno za
identifikaciju i praenje
brodova.
elektromagnetske valove iz UHF i SHF frekvencijskih podruja, prema
podjeli ITU-a.
Elektromagnetski valovi ovih frekvencijskih podruja openito
propagiraju direktno
od odašiljaa prema prijemniku, tj. najizraajnija je direktna
komponenta.
Prema GMDSS-u satelitski radiokomunikacijski sustavi koji se
koriste, za potrebe
pomorskih komunikacija su: privatni komercijalni sustav INMARSAT i
meunarodni
sustav COSAPAS-SARSAT, koji se iskljuivo koristi za potrebe
traganja i spašavanja.
Satelitski sustav INMARSAT podrava više oblika i naina
komunikacija, poput
digitalnih govornih komunikacija, razmjene velikih koliina podataka
ostvarivanjem
velikih brzina prijenosa, kao i povezivanje internetskim
protokolom.
U nastavku su detaljno opisani navedeni pomorski terestriki i
satelitski
radiokomunikacijski i navigacijski sustavi koji se mogu koristiti
za prijenos podataka.
2.1. Pomorski terestriki sustav za digitalno-selektivno
pozivanje
Digitalno-selektivno pozivanje ili skraeno DSC je sastavni dio
GMDSS sustava, koji se
koristi za slanje poziva pogibelji s brodova i potvrivanje poziva
od strane obalnih
stanica. U pojedinim sluajevima i brodska stanica moe poslati
potvrdu na poziv
pogibelji [29]. Nadalje, DSC sustav se koristi i za prosljeivanje
poziva pogibelji, kako
od strane obalnih, tako i od strane brodskih stanica, kao i za
pozivanje, odnosno
najavljivanje daljnjih komunikacija hitnosti, sigurnosti ili
rutinskih komunikacija [26].
2.1.1. Vrste poziva sustava za digitalno-selektivno pozivanje
Selektivnost sustava podrazumijeva jednostavan odabir jedne ili
više brodskih,
odnosno obalnih stanica kojima se odašilje poziv. Vrste poziva koje
se mogu poslati
pomou DSC ureaja su:
6. Poziv na geografsko podruje.
Svaki poziv je unaprijed definiran i openito se sastoji od nekoliko
elemenata:
• binarni uzorak (engl. dot pattern) – slui za otkrivanje
nadolazeeg poziva
• signalni niz (engl. phasing sequence) – slui za usklaivanje
predajnika i
prijamnika na razini bitova i pozicija odaslanih simbola
• oznaka vrste poziva (engl. format specifier)
• oznaka odredišta slanja (engl. address)
• oznaka prioriteta poziva (engl. category)
• oznaka identifikacije predajne stanice (engl. self
identification)
• poruke (engl. messages) – slue za unošenje razliitih dodatnih
informacija;
• zahtjev za potvrdom poziva (engl. end of sequence) u kojem je
naznaena
potreba odašiljanja potvrde na primljeni poziv
• znak za provjeru grešaka (engl. error check character).
Prema tome, DSC sustav nije u klasinom smislu sustav za
komunikaciju, ve
odašiljanjem unaprijed definiranih poruka slui za najavu daljnjih
komunikacija svih
GMDSS prioriteta (pogibelj, hitnost, sigurnost i rutinske
komunikacije), koje se mogu
odvijati na terestrikim radiotelefonskim i/ili radioteleks
ureajima.
2.1.2. Vrste modulacija i brzine prijenosa podataka sustava za
digitalno- selektivno pozivanje
Kako je DSC terestriki sustav, tako se koristi na svim trima
pomorskim terestrikim
frekvencijskim podrujima, odnosno MF, HF i VHF. Zbog razliitih
frekvencijskih
podruja postoje i razliite vrste modulacija valova nosilaca, te
razliiti razmaci
frekvencija kojima se prenose binarne nule i jedinice, što ujedno
rezultira i razliitim
brzinama prijenosa podataka. Prema tome, na pomorskim MF/HF
radiokanalima
širine 500 Hz koristi se izravna digitalna frekvencijska modulacija
FSK (engl.
Frequency Shift Keying) vala nosioca ili, posredna AFSK (eng. Audio
Frequency Shift
Keying) modulacija upotrebom pomonog vala nosioca, s razmakom
frekvencija od
170Hz uz brzinu prijenosa podataka od 100 bit/s. S druge strane, na
pomorskom VHF
frekvencijskom podruju postoji samo jedan kanal širine 25 kHz
namijenjen za DSC
ureaje. Na tom se kanalu koristi digitalna frekvencijska modulacija
vala nosioca s
17
preakcentuacijom od 6 dB po oktavi, što rezultira faznom
modulacijom PSK (engl.
Phase Shift Keying), te je razmak frekvencija 800 Hz i postie se
brzina prijenosa
podataka od 1 200 bit/s [35].
2.1.3. Kodiranje u sustavu za digitalno-selektivno pozivanje
Iz naziva DSC podrazumijeva se da je sustav digitalan, a ujedno je
i
sinkronizirani/usklaeni sustav, koji koristi znakove sa zaštitnim
kôdom od deset
bitova. Prvih sedam bitova navedenog desetobitnog kôda su tzv.
informacijski bitovi
(ukupno 27 znakova), dok preostala tri predstavljaju zaštitne
bitove, koji pruaju
podatak o broju binarnih nula u pojedinom znaku. Uz navedena tri
zaštitna bita, svaki
se znak odašilje dva puta s vremenskim kašnjenjem, koje odgovara
trajanju
odašiljanja sljedea etiri znaka. Kako svaki znak sadri deset
bitova, a razliite su
brzine prijenosa podataka na VHF i MF/HF frekvencijskim podrujima,
tako
vremensko kašnjenje za odašiljanje istog znaka na VHF
frekvencijskom podruju
iznosi:
= ⋅ =/
bit
s
(2.1.2)
Takoer, na kraju svakog poziva, odaslanog pomou DSC ureaja, nalazi
se znak koji
slui za otkrivanje pogrešaka u cijelom pozivu, koje nije bilo mogue
otkriti
prethodno spomenutim metodama [35].
2.2. Pomorski terestriki radioteleks i NAVTEX sustavi
Pomorski radioteleks sustav je digitalni sustav, koji pripada
skupini ureaja i sustava
poznatoj kao uskopojasna telegrafija za izravan prijam ili ispis,
odnosno NBDP (engl.
Narrow-Band Direct Printing – NBDP), a koristi dva naina rada: ARQ
(engl.
Automatic Repetition reQuest) i FEC (engl. Forward Error
Correction). Korištenjem
ARQ naina rada radioteleks sustava, mogue je uspostaviti
komunikaciju:
18
• izmeu broda i neke druge vrste ureaja, posredstvom obalne
stanice
• izmeu broda i korisnika kopnene meunarodne teleks mree
• izmeu dvaju brodova.
Prema prioritetima komunikacija GMDSS sustava, ovim nainom rada
obino se
obavljaju rutinske komunikacije.
S druge strane, korištenjem FEC naina rada radioteleks sustava nije
mogue
uspostaviti klasinu „dvosmjernu“ komunikaciju izmeu dviju stanica.
Naime, ovaj
nain rada se koristi kada jedna obalna stanica ili jedan brod
odašilju jednake
podatke, odnosno poruku prema više brodova. Ovakav nain rada
radioteleks ureaja
preporuen je za obavljanje komunikacija pogibelji, hitnosti i
sigurnosti, nakon najave
DSC ureajem [34].
Radioteleks sustav je terestriki komunikacijski sustav, koji se
koristi na pomorskim
MF i HF frekvencijskim podrujima. Pojam uskopojasna telegrafija za
izravan prijem
odnosi se na širinu kanala od svega 500 Hz, što odgovara širini
kanala predvienim za
MF/HF DSC sustav. Drugim rijeima, MF/HF radioteleks sustav ima
jednake tehnike
karakteristike, kao i MF/HF DSC sustav, odnosno koristi izravnu
digitalnu
frekvencijsku modulaciju FSK vala nosioca ili, posrednu AFSK
modulaciju upotrebom
pomonog vala nosioca, s razmakom frekvencija od 170Hz uz brzinu
prijenosa
podataka od 100 bita/s.
Nadalje, radioteleks sustav je, kao i DSC, usklaeni/sinkronizirani
sustav, koji koristi
znakove s ITA 2 kôdom (engl. International Telegraph Alphabet No.
2) od 7 bitova. Za
razliku od DSC kôda, u ITA 2 kôdu prvih 5 bitova se koristi za
kodiranje razliitih
slova i oznaka (ukupno 25 znakova), dok preostala dva slue kao
zaštitni bitovi,
pomou kojih se provjerava ispravnost odaslanih znakova [36].
Tijekom komunikacijskog postupka, radioteleks sustav koristi
nekoliko razliitih
vrsta odaslanih signala:
19
Prilikom odabira ARQ naina rada uspostavlja se
usklaena/sinkronizirana
komunikacija izmeu dviju stanica, od kojih se stanica koja
uspostavlja komunikaciju
naziva „MASTER“, a stanica koja prima poziv „SLAVE“. Nadalje,
nevezano uz podjelu
stanica na „MASTER“ i „SLAVE“, u svakom ciklusu slanja podataka
odreena je stanica
koja odašilje podatke ili ISS (engl. Information Sending Station),
i druga stanica koja
prima podatke ili IRS (engl. Information Receiving Station).
ARQ nain rada je karakteristian po tome što svaki ciklus razmjene
signala izmeu
stanice koja odašilje podatke i stanice koja prima podatke ukljuuje
slanje
informacijskog bloka s trima znakovima i slanje odgovora, odnosno
kontrolnih
signala. Navedenim kontrolnim signalima stanica koja prima podatke
navodi stanici
koja odašilje podatke informaciju o uspješnom ili neuspješnom
primitku znakova.
Ukoliko je pojedini znak neuspješno primljen, stanica koja odašilje
podatke ponovno
šalje isti informacijski blok, sve dok kontrolni signali ne potvrde
ispravnost prijama.
Trajanje svakog pojedinog ciklusa razmjene signala izmeu stanice
koja odašilje
podatke i stanice koja prima podatke je unaprijed definirano i
iznosi 450 ms. Unutar
tog vremenskog intervala, 210 ms je predvieno za odašiljanje
informacijskog bloka,
a 70 ms za odašiljanje kontrolnih signala. Razlog što je vrijeme
trajanja jednog ciklusa
dulje od predvienog vremena slanja signala, je taj što radiovalovi
na MF i HF
frekvencijskim podrujima propagiraju na velikim udaljenostima i s
odreenim
vremenskim kašnjenjem. Takoer, kod stanice koja prima podatke
postoji odreeno
kašnjenje, odnosno vrijeme potrebno da ova stanica prijee u
predajni mod, tj. da
preuzme ulogu stanice koja odašilje podatke [53].
2.2.3. Opis FEC naina rada radioteleks sustava
Prilikom odabira FEC naina rada odašilje se neprekinuti niz
podataka, odnosno
poruka, s jedne stanice prema svim stanicama, što se naziva
„Kolektivni“ FEC (engl.
Colective FEC) ili prema jednoj stanici, što se naziva „Selektivni“
FEC (engl. Selective
FEC).
20
FEC nain rada je karakteristian po tome što se svaki znak odašilje
dva puta s
vremenskim kašnjenjem, koje odgovara trajanju odašiljanja sljedea
etiri znaka
(slino kao i kod DSC sustava). Kako svaki znak sadri 7 bitova, a
brzina prijenosa
radioteleks sustava je 100 bit/s, vremensko kašnjenje za
odašiljanje istog znaka
iznosi:
bit
s
(2.2.1)
Kako bi stanice koje primaju poruku bile pripremljene na FEC nain
rada, stanica koja
odašilje poruku najprije šalje parove tzv. kontrolnih signala za
usklaivanje faze
(engl. Phasing signals 1 and 2), ime se zapravo vremenski usklauju
prijamnici
stanica s nadolazeim signalima. Zbog vee vjerojatnosti otkrivanja
signala i
usklaenosti prijamnika potrebno je odaslati najmanje 16 navedenih
parova.
Nakon odašiljanja kontrolnih signala za usklaivanje faze, stanica
odašilje
informacijske signale. Stanica, odnosno stanice koje su primile
podatke, provjeravaju
ispravnost svakog pojedinog znaka. Ukoliko je jedan od dvaju
jednakih znakova
ispravno primljen, što se provjerava na temelju dvaju zaštitnih
bitova, tada se taj znak
i ispisuje, odnosno prikazuje na terminalu prijamnika, a u
protivnom se ispisuje,
odnosno prikazuje podatak o pogrešno primljenom znaku [53].
Nedostatak ovakvog naina rada radioteleks sustava je taj što
stanica, odnosno
stanice koje su primile poruku ne odašilju povratne informacije o
uspješnom,
odnosno neuspješnom primitku.
Information) s kopnenih stanica i automatski prijam na brodskim
stanicama.
Openito, pomorske sigurnosne informacije ili MSI su navigacijska i
meteorološka
upozorenja, meteorološke prognoze i ostale vane informacije vezane
uz sigurnost
navigacije. Pruatelji pomorskih sigurnosnih informacija su
[26]:
21
ispravaka elektronikih karata
prognoza
• centri za traganje i spašavanje – za pruanje pogibeljnih, hitnih
i sigurnosnih
informacija
sjevernom Atlantiku.
se nazivaju NAVAREA (engl. Navigational Area) ili METAREA (engl.
Meteorological
Area). Postoji ukupno 21 takvo podruje plovidbe, kojim upravljaju
nacionalni
NAVAREA/METAREA koordinatori.
Meunarodni NAVTEX sustav pripada ve spomenutoj skupini ureaja i
sustava
uskopojasne telegrafije za izravan prijam ili ispis. Ovaj sustav je
zapravo radioteleks
sustav koji koristi FEC nain rada za odašiljanje razliitih
pomorskih sigurnosnih
informacija, odnosno NAVTEX poruka, s kopnenih NAVTEX stanica prema
brodskim
NAVTEX prijamnicima. Meunarodna frekvencija na kojoj se odašilju
NAVTEX poruke
na engleskom jeziku je 518 kHz, što pripada pomorskom MF
frekvencijskom
podruju. Takoer, postoje još dvije dodatne frekvencije, 490 kHz (MF
frekvencijsko
podruje) i 4 209,5 kHz (HF frekvencijsko podruje), za odašiljanje
NAVTEX poruka
na nacionalnim jezicima.
Unutar svakog NAVAREA/METAREA podruja postoji ukupno 25 NAVTEX
stanica za
odašiljanje NAVTEX poruka. Navedene stanice oznaene su slovima
engleske abecede,
gdje je prvih 24 (oznake od A do X) aktivno, dok posljednja (oznaka
Z) slui kao
rezervna NAVTEX stanica. Sve NAVTEX stanice odašilju NAVTEX poruke
u periodu od
deset minuta svaka etiri sata, prema unaprijed odreenom vremenskom
rasporedu,
kako bi se izbjegla meusobna interferencija na istoj frekvenciji,
odnosno
komunikacijskom kanalu. Takoer, sve stanice odašilju signale s
ogranienom
snagom emitiranja, a samim time i podrujem pokrivanja, kako stanice
koje imaju iste
oznake u susjednim NAVAREA/METAREA podrujima ne bi meusobno
interferirale
[29].
22
Nadalje, NAVTEX poruke su takoer oznaene slovima engleske abecede
na nain
kako je prikazano u tablici 1.
Tablica 1: Oznake i vrste NAVTEX poruka
Oznaka
napadima, cunamijima i ostalim prirodnim fenomenima
E Meteorološke prognoze
G AIS poruke
H LORAN poruke
J GNSS poruke
L Ostala navigacijska upozorenja; dodatak oznaci A
M, N, O, P, Q, R,
S, T, U Trenutno se ne koriste
V, W, X, Y Poruke posebnih namjena za NAVTEX koordinatore
Z Nema poruke od NAVTEX stanice
Izvor: [27]
Za razliku od standardnih radioteleks poruka koje se odašilju FEC
nainom rada,
svaka NAVTEX poruka zapoinje grupom od etiriju simbola:
• oznaka NAVTEX stanice koja odašilje poruku
• oznaka NAVTEX poruke koja se odašilje
• serijski broj NAVTEX poruke koja se odašilje s navedene NAVTEX
stanice
(oznake od 01 do 99).
Standardni NAVTEX ureaji na brodovima sastoje se od prijamnika,
procesora,
zaslona i/ili pisaa za pregledavanje i/ili ispisivanje primljenih
NAVTEX poruka.
23
koristi dvama kanalima iz pomorskog VHF frekvencijskog podruja za
prijenos
relevantnih navigacijskih podataka i/ili ostalih podataka vezanih
uz sigurnost
navigacije. AIS sustav poboljšava sigurnost navigacije i zaštite
mora i morskog okoliša
omoguavajui uinkovitu navigaciju i rad sustava nadzora i
upravljanja pomorskim
prometom, odnosno VTMIS-a (engl. Vessel Traffic Monitoring and
Information
System). Dakle, glavna svrha uvoenja AIS sustava ogleda se kroz
[24]:
• poveanje situacijske svijesti na moru
• poboljšanje upravljanja pomorskim prometom u zagušenim plovnim
putevima
• automatsko izvještavanje u podrujima obveznog ili
neobaveznog
izvještavanja
• razmjenjivanje poruka vezanih uz sigurnost navigacije.
2.3.1. Vrste podataka automatskog identifikacijskog sustava
Prema navedenome, podaci koji se automatski odašilju izmeu brodskih
AIS stanica
i/ili izmeu brodskih i kopnenih AIS stanica mogu se podijeliti u
tri skupine: statiki
podaci, dinamiki podaci i podaci vezani uz putovanje.
Statiki podaci, kako se moe zakljuiti iz naziva, ne mijenjaju se
tijekom plovidbe ve
se unose prilikom instalacije AIS stanice, a sadre: MMSI (engl.
Maritime Mobile
Service Identity) broda, pozivni znak i ime broda, IMO broj broda,
duljinu i širinu
broda, vrstu broda, te poziciju antene odgovarajueg sustava za
pozicioniranje.
S druge strane, dinamiki podaci dobiveni od razliitih brodskih
senzora mijenjaju se
tijekom plovidbe, a sadre: poziciju broda, UTC (engl. Universal
Time Coordinated)
vrijeme, smjer i brzinu broda, napredovanje broda, status
navigacije, te brzinu
zakretanja broda.
Podaci vezani uz putovanje unose se runo tijekom plovidbe, a sadre:
gaz broda,
vrstu (opasnog) tereta, odredište i procijenjeno vrijeme do
odredišta, te plan
putovanja.
24
Takoer, postoje i tzv. kratke poruke vezane uz sigurnost navigacije
koje se po
potrebi odašilju runo izmeu brodova ili izmeu brodova i kopnenih
stanica.
U pravilu se statiki podaci i podaci vezani uz putovanje odašilju
svakih šest minuta ili
na zahtjev. Dinamiki podaci se odašilju ovisno o promjeni brzine i
smjera broda,
stoga vremenski intervali odašiljanja mogu varirati od dvije
sekunde do tri minute
(Tablica 2) [31].
Dinamike brodske karakteristike Vremenski interval
Usidren brod brzine manje od 3 vora 3 min
Usidren brod brzine vee od 3 vora 10 s
Brod brzine od 0 do 14 vorova 10 s
Brod brzine od 0 do 14 vorova i uz
promjenu smjera 3 1/3 s
Brod brzine od 14 do 23 vora 6 s
Brod brzine od 14 do 23 vora i uz
promjenu smjera 2 s
promjenu smjera 2 s
Izvor: [31]
Zbog svoje tehnologije i efikasnosti, AIS je postao obavezan i za
plovila koja nisu
obuhvaena SOLAS konvencijom. Nadalje, AIS tehnologija, odnosno AIS
kanali se osim
za slanje navedenih statikih, dinamikih i podataka vezanih uz
putovanje, koriste i za
slanje poruka i informacija poput „Pomagala za navigaciju ili
AtoN“, „Poruke posebnih
primjena ili ASM“, „AIS predajnik za traganje i spašavanje ili
SART-AIS, „Jedinica za
oznaavanje osobe u moru ili MOB“, te „AIS predajnik za uzbunjivanje
i oznaavanje
pozicije ili EPIRB-AIS“.
2.3.2. Tehnike karakteristike i nain rada AIS sustava
Postoji nekoliko klasa AIS stanica, od kojih se, prema IMO-u, na
brodovima smiju
koristiti klasa A i klasa B. U nastavku su navedene tehnike
karakteristike i nain rada
AIS stanica klase A. Standardna brodska AIS stanica sastoji se od
[46][50]:
25
• tri samostalna VHF prijamnika, od kojih su dva namijenjena za
praenje AIS 1
(161,975 MHz) i AIS 2 (162,025 MHz) kanala, dok je trei namijenjen
za
praenje VHF DSC kanala 70 (156,525 MHz)
• jednog predajnika, koji kontinuirano izmjenjuje odašiljanje na
AIS 1 i AIS 2
kanalima
• tipkovnice, zaslona i upravljake jedinice, koja sadri procesor i
suelja
potrebna za prosljeivanje podataka od brodskih senzora prema
vanjskim
ureajima, kao što su ECDIS (engl. Electronic Chart Display and
Information
System), ARPA (engl. Automatic Radar Plotting Aid), VDR (engl.
Voyage Data
Recorder) i sl.
• jednog ili više GPS/DGPS prijamnika, koji pruaju podatke o
poziciji broda, kao
i o preciznom vremenu potrebnom za usklaivanje više AIS stanica za
prijenos
podataka putem dvaju pomorskih VHF komunikacijskih kanala.
AIS sustav koristi frekvencijski moduliranu GMSK (engl.
Gaussian-filtered Minimum
Shift Keying – GMSK) modulacijsku tehniku jednog vala nosioca za
prijenos podataka
na AIS 1 i AIS 2 kanalima širine 25 kHz ili 12,5 kHz. Princip
navedene modulacijske
tehnike je sljedei: digitalni podaci AIS stanice koji se trebaju
odaslati, najprije se
kodiraju GMSK modulacijom, te se kao takvi koriste za frekvencijsku
modulaciju vala
nosioca AIS 1 ili AIS 2 kanala. Ovakvom modulacijskom tehnikom, uz
indeks
modulacije od 0,5, mogue je ostvariti brzinu prijenosa podataka od
9,6 kbit/s. S
ciljem izbjegavanja neeljene interferencije signala i gubitka
podataka od drugih AIS
stanica, AIS sustav naizmjenino se koristi dvama VHF
komunikacijskim kanalima.
Nadalje, kako bi više AIS stanica moglo pristupiti istim AIS
kanalima, AIS sustav
koristi tzv. samoorganizirajui višestruki pristup s vremenskom
raspodjelom ili
SOTDMA (engl. Self-Organizing Time Division Multiple Access)
protokol. Naime,
stanice AIS sustava su meusobno usklaene na temelju vremenskih
podataka od
GPS/DGPS prijamnika, te je svaki vremenski okvir u trajanju od
jedne minute,
predvien za prijenos podataka AIS sustava na jednom komunikacijskom
kanalu,
podijeljen na 2250 vremenskih isjeaka. To rezultira vremenom od
26,67 ms po
svakom vremenskom isjeku. Nadalje, kako je brzina prijenosa
podataka 9,6 kbit/s,
tada svaki vremenski isjeak moe prenijeti ukupno 256 bita
informacije, što
26
odgovara jednoj standardnoj automatskoj AIS poruci, odnosno AIS
izvještaju. Neke
AIS poruke mogu zauzeti i do pet uzastopnih vremenskih
isjeaka.
Svaka AIS stanica nasumino odabire korištenje odreenog vremenskog
isjeka
unutar odreenog vremenskog okvira, te ovisno o vremenskom intervalu
auriranja
svojih podataka, unaprijed zauzima sljedei vremenski isjeak (Slika
1).
Slika 1: Samoorganizirajui višestruki pristup s vremenskom
raspodjelom Izvor: Izradio autor prema [24]
2.4. Satelitski radiokomunikacijski sustav INMARSAT
Za razliku od pomorskih terestrikih komunikacijskih sustava,
INMARSAT je globalni
satelitski komunikacijski sustav. INMARSAT sustav ili organizacija
nastala je davne
1976. godine na meunarodnoj konferenciji IMO-a, te je prihvaena kao
meuvladina
organizacija 1979. godine. Glavna svrha tadašnjeg INMARSAT sustava
bila je
poboljšanje pomorskih komunikacija, posebno iz aspekta komunikacija
pogibelji i
sigurnosti ljudskih ivota na moru. Meutim, godine 1999. sustav
postaje privatiziran,
te proširuje svoju svrhu s pruanja usluga za potrebe pomorskih
komunikacija na
pruanje usluga na globalnoj razini razliitim vrstama korisnika
[26].
27
INMARSAT sustav sastoji se od triju glavnih segmenata:
1. svemirska ili satelitska infrastruktura
2. zemaljska ili kopnena upravljako-komunikacijska
infrastruktura
3. korisnika infrastruktura.
Svemirska ili satelitska infrastruktura sastoji se od etiriju
aktivnih komunikacijskih
satelita, koji se nalaze u geostacionarnoj orbiti na 35 786 km
iznad ekvatora.
Navedena etiri satelita, s elevacijom od 5°, pokrivaju Zemljinu
površinu od otprilike
70° june do 70° sjeverne geografske širine, što zapravo predstavlja
podruje
plovidbe A3 prema GMDSS-u. Kako ovi sateliti pokrivaju plovna
podruja svjetskih
oceana, tako se redom i nazivaju:
1. satelit AOR-E (engl. Atlantic Ocean Region – East) – pokriva
podruje istonog
Atlantskog oceana
2. satelit AOR-W (engl. Atlantic Ocean Region – West) – pokriva
podruje
zapadnog Atlantskog oceana
3. satelit POR (engl. Pacific Ocean Region) – pokriva podruje Tihog
oceana
4. satelit IOR (engl. Indian Ocean Region) – pokriva podruje
Indijskog oceana.
Zemaljska ili kopnena infrastruktura sastoji se od upravljakih
centara i stanica, kao i
komunikacijskih stanica. Upravljaka središnjica INMARSAT sustava
naziva se NCC
(engl. Network Control Centre) i smještena je u Velikoj Britaniji,
odnosno Londonu,
gdje je i sjedište same privatne organizacije Inmarsat. NCC
kontinuirano nadzire cijeli
INMARSAT sustav, te koordinira širokim rasponom aktivnosti unutar
samog sustava.
U razliitoj literaturi spominju se još i nazivi NOC (engl. Network
Operating Centre) i
OCC (engl. Operating Control Centre) [26][29].
Nadalje, INMARSAT sustav je tzv. indirektni sustav, odnosno sve
komunikacije
obavljaju se posredstvom obalnih ili kopnenih zemaljskih stanica,
odnosno CES-a ili
LES-a (engl. Coast Earth Stations ili Land Earth Stations). Ove su
stanice u posjedu
multinacionalnih telekomunikacijskih operatera, odnosno u posjedu
pruatelja
komunikacijskih usluga. Kopnene stanice koje nadziru i upravljaju
komunikacijama
pod jednim od etiriju INMARSAT satelita, nazivaju se NCS (engl.
Network Co-
28
mogu obavljati i neke obalne zemaljske stanice, CES ili LES.
Zadnji segment INMARSAT sustava ine korisnici, odnosno njihove
pokretne
komunikacijske stanice. Iako je u ranijem tekstu navedeno da je
INMARSAT sustav
namijenjen za sve vrste transporta, u ovom radu bit e analizirane
pokretne stanice
koje se koriste iskljuivo u pomorstvu.
2.4.2. Brodske zemaljske stanice sustava INMARSAT
Pokretne stanice INMARSAT sustava koje se koriste za obavljanje
pomorskih
komunikacija nazivaju se brodske zemaljske stanice ili SES (engl.
Ship Earth Stations).
Postoje razliite vrste INMARSAT SES stanica, ali se prema
zahtjevima i prioritetima
GMDSS komunikacija na brodovima smiju koristiti INMARSAT B,
INMARSAT C i
INMARSAT Fleet F77. Takoer, za prijam pomorskih sigurnosnih
informacija, kao i
kratkih komercijalnih obavijesti, koristi se EGC (engl. Enhanced
Group Call)
prijamnik. Nadalje, na brodovima se mogu koristiti i INMARSAT
stanice pod nazivom
Fleet Broadband, koje omoguuju širokopojasni internetski
pristup.
Brodske zemaljske stanice sustava INMARSAT podravaju gotovo sve
vrste
komunikacija i komunikacijske usluge koje se mogu odvijati i u
kopnenim
terestrikim ili satelitskim mreama. Ove stanice omoguavaju
brodovima pouzdane
komunikacije visoke kvalitete korištenjem telefonskih komunikacija,
podatkovnih
komunikacija, teleks komunikacija i sl. [29].
Frekvencije koje se koriste za komunikacije unutar INMARSAT sustava
nalaze se,
prema ITU-ovoj podjeli, u UHF i SHF frekvencijskim podrujima,
odnosno, prema
IEEE-ovoj podjeli, u L i C frekvencijskim pojasevima. Za
komunikaciju od obalnih
zemaljskih stanica prema satelitima koriste se kanali iz podruja od
6 GHz, dok se od
satelita prema obalnim zemaljskim stanicama koriste kanali iz
podruja od 4 GHz (C
pojas). S druge strane, za komunikaciju od brodskih zemaljskih
stanica prema
satelitima koriste se kanali iz podruja od 1,6 GHz, a od satelita
prema brodskim
zemaljskim stanicama kanali iz podruja od 1,5 GHz (L pojas).
INMARSAT C brodska zemaljska stanica uvedena je 1991. godine, kao
dodatak
INMARSAT A stanici. Naime, INMARSAT A brodska zemaljska stanica
uvedena je
29
1982. godine, a povuena je iz upotrebe 31. prosinca 2007. godine,
zbog zastarjelog
analognog naina rada, tehnikih karakteristika i velikih fizikih
dimenzija. Za razliku
od INMARSAT A stanice, INMRASAT C stanica omoguava ekonomski
isplativije
komunikacije korištenjem vrlo male neusmjerene antene. Meutim,
INMARSAT C
brodska zemaljska stanica ne omoguava telefonske komunikacije, ve
radi na
principu koji se naziva store-and-forward messaging. Ovaj princip
je slian nainu
rada elektronike pošte, gdje se poruke, odnosno podaci, nakon
odreenog
vremenskog kašnjenja, odašilju prema satelitima, odnosno obalnim
zemaljskim
stanicama brzinom prijenosa podataka od svega 600 bita/s. INMARSAT
C stanica
koristi digitalnu binarnu faznu modulaciju ili BPSK (engl. Binary
Phase Shift Keying)
za prijenos informacije [42].
INMARSAT B brodska zemaljska stanica uvedena je 1994. godine, kao
digitalna
zamjena navedenoj zastarjeloj analognoj INMARSAT A stanici. Ova
stanica prua vrlo
pouzdane govorne komunikacije, teleks komunikacije te odašiljanje
faks poruka, kao i
prijenos podataka, ukljuujui i slanje elektronike pošte,
omoguavajui brzine
prijenosa od 9,6 kbit/s do 64 kbit/s. INMARSAT B brodska zemaljska
stanica koristi
razliite vrste digitalne fazne modulacije PSK za prijenos
informacije. Nedostatak ove
vrste stanica je usmjerena antena prilino velikih dimenzija, te je
najavljeno njezino
povlaenje iz upotrebe krajem 2016. godine [67].
INMARSAT Fleet F77 brodska zemaljska stanica, uvedena 2001. godine,
u potpunosti
je usklaena sa zahtjevima i prioritetima GMDSS sustava, podravajui
govorne
komunikacije te prijenos podataka i faks poruka omoguavajui brzine
prijenosa do
128 kbit/s. INMARSAT Fleet F77 brodska zemaljska stanica koristi
razliite vrste
digitalne fazne modulacije PSK te kvadraturno amplitudne modulacije
QAM za
prijenos informacije [41].
2.5. Pregled meunarodnih preporuka i smjernica
Sigurnost na moru, koja ukljuuje zaštitu posade, putnika, tereta i
morskog okoliša,
ovisi u prvom redu o raspoloivim radiokomunikacijskim sustavima,
odnosno
ureajima.
30
sigurnost u radu. S obzirom da rastu radiokomunikacijske potrebe
pomorskih
subjekata na moru i infrastrukture za pruanje sigurnosti i podrške
na kopnu, budua
naprednija rješenja u pomorskim komunikacijama zahtijevat e poveanu
globalnu
pokrivenost, vee brzine prijenosa podataka, kao i video i/ili
multimedijalne
mogunosti [30].
Na Svjetskoj radiokomunikacijskoj konferenciji odranoj 2012. godine
u enevi
donesene su dvije Rezolucije ([64] i [65]) koje se odnose na
poboljšanje pomorskih
komunikacija. U tim se Rezolucijama zahtijeva od ITU-a provoenje
istraivanja i
studija vezanih uz nove radiokomunikacijske sustave, koji e
modernizirati GMDSS
sustav i rasteretiti kanale AIS sustava. Nadalje, naglašena je i
potreba za
razmatranjem novih regulativa, ukljuujui i realokaciju pomorskog
frekvencijskog
spektra, kako bi se omoguilo moderniziranje GMDSS sustava, a samim
time i
implementiranje strategije e-Navigacije.
prikaz i analiza pomorskih informacija na brodovima i kopnu,
korištenjem
elektronikih sustava, s ciljem poboljšanja sigurnosti navigacije i
ostalih usluga
vezanih uz sigurnost na moru, kao i zaštite morskog okoliša.
Tri su kljuna elementa, koja moraju biti zadovoljena, odnosno
postavljena prije
implementacije e-Navigacije, a to su [30]:
1. pokrivenost svih plovnih podruja svijeta elektronikim
navigacijskim
kartama, odnosno ENC-ovima (engl. Electronic Navigation
Chart)
2. robusni elektroniki sustav za odreivanje pozicije, navigaciju i
vrijeme (s
redundancijom)
brodova i kopnenih objekata.
U ovome poglavlju analizirani su komunikacijski sustavi koji se
trenutno koriste na
brodovima za razmjenu razliitih podataka. Meutim, svaki od tih
sustava ima svoje
nedostatke u pogledu njihovog prihvaanja u spomenutu
komunikacijsku
infrastrukturu e-Navigacije. Naime, sustav za digitalno-selektivno
pozivanje ili DSC
31
omoguuje maksimalnu brzinu prijenosa podataka od 1 200 bit/s (VHF
DSC), te je
mogue prenositi iskljuivo poruke, odnosno informacije koje su ve
unaprijed
definirane kroz standardnih šest vrsta DSC poziva.
Pomorski radioteleks sustav je ve zastarjeli nain komunikacije,
koji se malo ili
gotovo nikako ne upotrebljava za rutinske, odnosno ope
komunikacije, kako izmeu
brodova, tako i izmeu brodova i obalnih stanica. Nadalje, brzina
prijenosa podataka
kod ovog sustava je svega 100 bit/s, uz korištenje 5-bitnog kôda,
ime nije mogue
prenijeti velike koliine podataka u realnom vremenu, što ga ini
neupotrebljivim u
komunikacijskoj infrastrukturi e-Navigacije. Navedeno se takoer
odnosi i na
meunarodni NAVTEX sustav, koji je zapravo pomorski radioteleks
sustav u FEC
nainu rada.
tehnologiju na pomorskom VHF frekvencijskom podruju. Ovaj sustav
efikasno koristi
dva kanala iz navedenog frekvencijskog podruja za slanje podataka
brzinom od
9 600 bit/s, te e stoga predstavljati dio komunikacijske
infrastrukture e-Navigacije.
Meutim, zbog sve veeg korištenja AIS sustava u nekim plovnim
podrujima svijeta
došlo je do zagušenja AIS kanala i degradacije efikasnosti sustava,
što je rezultiralo
spomenutim dodjeljivanjem novih kanala, kao i traenjem novih
rješenja za prijenos
podataka na pomorskom VHF frekvencijskom podruju [38].
Satelitski INMARSAT sustav takoer e predstavljati dio
komunikacijske
infrastrukture e-Navigacije, zbog svojih znaajki i pruanja širokog
spektra
mogunosti i usluga. Meutim, zbog visoke cijene usluga,
nepokrivenosti INMARSAT
satelitima na podrujima Zemljinih polova, te efikasnijeg
iskorištavanja
frekvencijskog spektra, potrebno e biti njegovo nadomještanje i/ili
nadograivanje
pouzdanim terestrikim sustavima za razmjenu podataka.
U nastavku e detaljnije biti opisane preporuke, prijedlozi i
smjernice koje se odnose
na pomorsko VHF frekvencijsko podruje, s ciljem modernizacije
GMDSS-a,
rastereenja AIS sustava i postavljanja temelja komunikacijske
infrastrukture
strategije e-Navigacije.
Prema ITU-ovom Radio pravilniku, na pomorskom VHF frekvencijskom
podruju
postoji ukupno 59 numeriranih kanala, svaki širine 25 kHz. Od
navedenih kanala, 56
ih je dodijeljeno za razliite analogne radiotelefonske
komunikacije, dva kanala
(Kanali AIS 1 i AIS 2) za AIS sustav, dok je jedan jedini kanal
(Kanal 70) dodijeljen za
digitalno-selektivno pozivanje, odnosno VHF DSC sustav. Na
prethodno spomenutoj
Svjetskoj radiokomunikacijskoj konferenciji, odreena je prenamjena
nekoliko kanala
iz pomorskog VHF frekvencijskog podruja. Tako su susjedni kanali
24, 84, 25, 85, 26
i 86 namijenjeni za testiranje i primjenu novih digitalnih
komunikacijskih tehnologija,
a predvia se da e za istu namjenu biti dodijeljeni i kanali 80, 21,
81, 22, 82, 23 i 83.
Takoer, od 1. sijenja 2013. godine dozvoljeno je testiranje buduih
primjena AIS
sustava na kanalima 27, 28, 87 i 88 [37].
Meunarodna udruga svjetioniarskih slubi ili IALA razvila je
tehnološki koncept
pod nazivom VHF sustav za razmjenu podataka ili VDES (engl. VHF
Data Exchange
System) s ciljem rješavanja problema zagušenja AIS kanala i
degradacije efikasnosti
tog sustava. Istovremeno VDES sustav omoguuje široku razmjenu
podataka
predvienih strategijom e-Navigacije, što ujedno potencijalno
podupire i
modernizaciju GMDSS sustava [30]. VDES sustav e prospektivno imati
znaajan
pozitivan utjecaj na pruanje pomorskih informacijskih usluga,
ukljuujui: pomorske
sigurnosne informacije i poruke, ope podatkovne komunikacije,
robusne razmjene
podataka velikim brzinama, lociranje, upravljanje pomorskim
prometom, satelitske
komunikacije, itd. Iz funkcionalnog aspekta, VDES sustav koristi
dvosmjernu
razmjenu podataka na kanalima pomorskog VHF frekvencijskog podruja
u sljedeim
smjerovima komunikacija (Tablica 3):
Kanal
Brodske stanice (brod-kopno)
(1024/1084, spojeni)
(2024/2084, spojeni)
25/85/26/86 (VDE
4, SAT2)
Izvor: [30]
34
Podaci, koji se korištenjem VDES sustava mogu odašiljati i/ili
razmjenjivati, su
sljedei:
dinamike i podatke vezane uz putovanje
• ASM: poruke posebnih primjena, npr. za odašiljanje
navigacijskih,
meteoroloških ili hidrografskih informacija
2.5.2. Preporuka Meunarodne telekomunikacijske unije ITU-R
M.1842-1
U preporuci ITU-a iz naslova pod nazivom „Characteristics of VHF
radio systems and
equipment for the exchange of data and electronic mail in the
maritime mobile service
RR Appendix 18 channels“ opisana su etiri primjera sustava i
opreme, koja bi se
mogla koristiti na pomorskom VHF frekvencijskom podruju za razmjenu
podataka i
elektronike pošte. Navedena preporuka trebala bi sluiti kao
smjernica za razvoj i
implementaciju buduih digitalnih tehnologija na pomorskom VHF
frekvencijskom
podruju, kako bi se modernizirao GMDSS i rasteretio AIS sustav, uz
istovremeno
postavljanje temelja komunikacijske infrastrukture strategije
e-Navigacije.
Prvi predloeni sustav koristi jedan kanal iz pomorskog VHF
frekvencijskog podruja
širine 25 kHz. Nadalje, ovaj sustav moe koristiti dvije vrste
modulacijskih tehnika:
π/4 DQPSK ili π/8 D8-PSK. Korištenjem prve modulacijske tehnike
sustav postie
brzinu prijenosa podataka od 28,8 kbit/s, dok korištenjem druge
postie 43,2 kbit/s.
Drugi predloeni sustav opisuje postojei regionalni uskopojasni VHF
sustav za
razmjenu podataka i elektronike pošte, koji se koristi du obale
Norveške. Ovaj
sustav koristi devet kanala iz pomorskog VHF frekvencijskog podruja
širine 25 kHz.
Modulacijska tehnika koja se koristi kod ovog sustava je
etverorazinska GMSK, te se
postie brzina prijenosa podataka od 21,1 kbit/s unutar jednog od
navedenih kanala.
Trei predloeni sustav predstavlja sustav s više valova nosilaca i
koristi dva susjedna
kanala iz pomorskog VHF frekvencijskog podruja širine 25 kHz,
odnosno kanal
ukupne širine od 50 kHz. ITU predlae da ovaj sustav koristi 16
valova nosilaca,
moduliranih šesnaestrazinskom QAM modulacijskom tehnikom, unutar
kanala širine
35
50 kHz. To je definirano prema standardu Europskog instituta za
telekomunikacijske
standarde ili ETSI (engl. European Telecommunications Standards
Institute) pod
nazivom EN 300 392-2 v.3.2.1, te je na taj nain mogue postii brzinu
prijenosa
podataka od 153,6 kbit/s.
etvrti, a ujedno i zadnji predloeni sustav, takoer predstavlja
sustav s više valova
nosioca i koristi etiri susjedna kanala iz pomorskog VHF
frekvencijskog podruja
širine 25 kHz, odnosno kanal ukupne širine od 100 kHz. ITU predlae
da ovaj sustav
koristi 32 vala nosioca, moduliranih istom modulacijskom tehnikom i
prema istom
standardu kao i prethodni sustav, ime se postie brzina prijenosa
podataka od 307,2
kbit/s.
36
Tehnologija višestrukog pristupa s ortogonalnom raspodjelom
frekvencija ili valova
nosilaca, poznata pod nazivom OFDM, predstavlja koncept koji se
razvijao jako dugo,
a postao je praktino primjenjiv tek kada se pojava masovnih
aplikacija na trištu
poklopila s dostupnim uinkovitim programskim i elektronikim
(sklopovskim)
tehnologijama. Razvoj višestrukog pristupa s raspodjelom
frekvencija ili FDM (engl.
Frequency Division Multiplexing) tehnologije, a samim time i OFDM
tehnologije,
poeo je davnih 1870-ih godina, kada su izumitelji toga doba,
potaknuti telegrafskim
kompanijama, uvidjeli nain za poveanje kapaciteta u telegrafskim
prijenosnim
linijama koristei nekoliko informacijskih kanala, odnosno valova
nosilaca, koji
meusobno ne interferiraju. Drugim rijeima, primjenom FDM
tehnologije, kanal
odreene širine podijeljen je u nekoliko uih kanala, koji zasebno
prenose dijelove
cjelokupne informacije pomou više valova nosilaca
[49][59][87].
Godine 1910., ameriki bojnik George Squier razvio je i predstavio
ureaj za prijenos
analognih govornih signala, korištenjem dvaju kanala. Nadalje,
godine 1918.
kompanija AT&T razvila je slian sustav, koji je koristio pet
kanala za prijenos
analognih govornih signala. Tako je FDM tehnologija ve u to vrijeme
postala
primarni nain višestrukog pristupa u telefonskim sustavima.
Kasnije, godine 1957. kompanija Collins Radio razvila je tzv.
Kineplex sustav za
prijenos podataka na kanalima HF frekvencijskog podruja koji su
podloni
izraenom višestaznom fedingu. Ovaj sustav koristio je 20 valova
nosioca, koji su bili
modulirani digitalnom etverorazinskom PSK modulacijom bez
filtriranja, što je
uzrokovalo meusobno preklapanje valova nosilaca. Da bi se riješio
problem
preklapanja valova nosioca, izmeu njih se poelo umetati zaštitne
frekvencijske
pojaseve, što je rezultiralo smanjenjem spektralne
uinkovitosti.
Prvi koncept OFDM tehnologije predstavljen je u radu [9] autora
Roberta W. Changa u
kojem je sintetizirao ortogonalne i pojasno-ograniene signale za
višekanalni prijenos
podataka. Time je prikazao koncept istovremenog prijenosa signala
unutar pojasno
ogranienih kanala, bez pojave meukanalne i meusimbolne
interferencije. To je
omogueno podjelom jednog kanala odreene širine na nekoliko kanala
malih širina
koji se meusobno preklapaju, ali ne uzrokuju meusobne
interferencije, što ujedno
37
olakšava tehnike i izvedbu prijamnika signala. Robert W. Chang je
navedeni i u svom
radu opisani sustav patentirao 1970. godine [49][87].
Za razliku od FDM tehnologije, gdje su valovi nosioci odvojeni
zaštitnim pojasevima
na nain da se mogu primiti korištenjem konvencionalnih filtara i
demodulatora,
primjenom OFDM tehnologije boni pojasevi valova nosilaca se
meusobno
preklapaju, dok se signali primaju bez meusobne interferencije.
Navedeno se postie
ortogonalnošu valova nosilaca. Drugim rijeima, valovi nosioci su
meusobno
nezavisni ili ortogonalni ukoliko je razmak izmeu svakog od njih
obrnuto
proporcionalan vremenu trajanja simbola, koji se odašilju na svakom
od njih. Zbog
navedene ortogonalnosti valova nosioca, granica, odnosno nula u
širini spektra
svakog vala nosioca preklapa se s vršnom vrijednosti, odnosno
centralnom
frekvencijom susjednog vala nosioca. Na slici 2 prikazana je
usporedba izmeu
komunikacijskog sustava s jednim valom nosiocem, FDM modulacijom,
te OFDM
modulacijom.
Slika 2: Usporedba sustava s jednim valom nosiocem (a), FDM
modulacijom (b) i OFDM modulacijom (c) Izvor: Izradio autor prema
[59]
Autor Saltzberg u svom radu [69] provodi analizu uspješnosti
analognog OFDM
sustava. Navedeni autor je došao do zakljuka da ortogonalnost
svakog pojedinog
vala nosioca u OFDM sustavu moe biti odrana primjenom stepenasto
rasporeene
38
analognim sustavima nastaju pri velikim brojevima valova nosioca,
koji zahtijevaju
veliki broj oscilatora za njihovo moduliranje i
demoduliranje.
Veliko otkrie u povijesti i razvoju OFDM tehnologije nalazi se u
radu [88] autora
Weinsteina i Eberta, u kojem su analizirali korištenje diskretne
Fourierove
transformacije ili DFT (engl. Discrete Fourier Transform) za
digitalno moduliranje
signala u predajniku i demoduliranje u prijamniku, s naglaskom na
uinkovitu
obradu. Ovim prijelazom s izvornog analognog sustava s više valova
nosilaca na
digitalnu implementaciju OFDM tehnologije izbjegava se upotreba
velikog broja
oscilatora i koherentnih demodulatora, ime se smanjuje i sloenost
implementacije.
U navedenom je radu takoer korišteno i zaštitno vrijeme izmeu
simbola, odnosno
zaštitnih pojaseva, kako bi se smanjio utjecaj meusimbolne i
meukanalne
interferencije. Iako predstavlja veliki napredak u razvoju OFDM
tehnologije,
predloeni sustav nije mogao odrati savršenu ortogonalnost valova
nosilaca unutar
vremenski disperzivnih kanala [49][59][87].
Nadalje, autori Peled i Ruiz u svom su radu [58] riješili problem
odravanja
ortogonalnosti uvoenjem tzv. ciklike ekstenzije, koja se moe
koristiti kao prefiks
i/ili sufiks. Na mjestima dotadašnjih zaštitnih pojaseva, navedeni
autori koristili su
ciklike ekstenzije OFDM simbola, odnosno dodavali su jednaki dio
OFDM simbola
unutar OFDM signala za odašiljanje. Time se odziv kanala na
odaslani signal opisuje
ciklikom konvolucijom, odravajui time ortogonalnost valova nosioca
unutar
vremenski disperzivnih kanala i eliminirajui meusimbolnu
interferenciju izmeu
valova nosioca. To je mogue postii ukoliko je ciklika ekstenzija
dua od impulsnog
odziva kanala. Iako dodavanje ciklike ekstenzije uzrokuje smanjenje
spektralne
uinkovitosti, jer zapravo predstavlja dodavanje redundantnih
simbola, ovaj
postupak omoguuje jednostavniju vremensku i frekvencijsku
sinkronizaciju
predajnika i prijemnika. Naime, redundantni simboli nalaze se na
poznatim
pozicijama u uzorkovanom signalu [49][59][87].
3.1. Princip moduliranja signala primjenom OFDM modulacije
Ovisno o vrsti informacije koja se prenosi, modulacije mogu biti
analogne ili digitalne.
Svaki elektrini signal ima svoju amplitudu, frekvenciju i fazu.
Razliitim vrstama
39
faza valova nosilaca. Tako u osnovi razlikujemo analogne ili
digitalne amplitudne,
frekvencijske ili fazne modulacije. Ve su u prethodnom dijelu rada
bile navedene
neke vrste modulacija, koje se koriste u razliitim
radiokomunikacijskim sustavima.
Openito se kod OFDM moduliranja signala koriste razliite vrste
digitalnih faznih i
amplitudnih modulacija, odnosno njihova kombinacija.
Navedeno je